Bacillus amyloliquefaciens FZB42 ist ein grampositives Bakterium, das in der Rhizosphäre das Pflanzenwachstum fördert (PGPR - Plant Growth Promotion) und pathogene Organismen hemmt. Abgesehen von dieser Fähigkeit produziert es eine Vielzahl von sekundären Metaboliten, die sowohl ribosomale als auch nicht-ribosomale Peptide umfassen. In dieser Arbeit erfolgte die Untersuchung der transkriptionellen Aktivierung und Regulation der Bacilysin- Biosynthese an den Promotoren der bac- und ywfH- Gene. Durch 5´-Deletionsanalysen wurde der Promotor von Bacilysin identifiziert. Die A (Sigmafaktor A) - abhängige Transkription startet über die konservierten Promotorelemente (-10 und -35) von den bac- und ywfH Genen. Die Untersuchungen der Promotoraktivitäten vom Wildtyp und den erzeugten Regulationsmutanten erfolgten über in vivo ß-Galaktosidase-(Reporter)-Assays. Die Ergebnisse der Reporter-Aktivitäten zeigten, dass Transkriptionsregulatoren die Expression der Bacilysin- Gene aktivieren. Mehrere globale Regulatoren wie DegU, ComA, Hpr und AbrB beeinflussen die Genexpression. In dieser Arbeit wurde mithilfe von DNaseI Footprinting-Analysen die DegU-Bindung an die bac- und ywfH- Promotoren bestätigt.Die negative Regulation der Bacilysin-Biosynthese wird durch den Regulator der transienten Phase Hpr bewerkstelligt. Eine direkte Hpr-Bindung an bac Promotor wurde mit DNaseI Footprint-Analysen gezeigt. Der Promotor des monocistronischen Gens ywfH wurde aber durch Hpr nicht beeinflusst. Die anderen Transkriptionsregulatoren, wie ComA und AbrB, regulieren die Genexpression von Bacilysin indirekt über DegQ und Hpr. In dieser Arbeit konnte demonstriert werden, dass der globale Regulator AbrB den Promotor vom hpr-Gen direkt kontrolliert. Zusammenfassend liefert diese Studie neue Informationen über die genetische Regulation der Bacilysin- Biosynthese in B. amyloliquefaciens FZB42. / Bacillus amyloliquefaciens FZB42 is a Gram-positive, pathogen-suppressing and plant-growth promoting rhizobacterium. Apart from this ability, it produces a vast array of secondary metabolites, which includes both ribosomal and non-ribosomal peptides. In this work, the transcriptional activation and regulation of bacilysin biosynthesis were studied at the promoters of bac and ywfH genes. The promoter of bacilysin was identified using 5''-deletion analysis. Sigma factor A (σA) was found to start transcription via conserved promoter elements (-10 and -35) of bac and ywfH genes. lacZ reporter fusion studies were performed in wild type and regulatory mutants. The results show the involvement of transcriptional regulators to activate the expression of bacilysin genes. Several global regulators such as DegU, ComA, Hpr and AbrB were identified and found to influence gene expression. In particular, I confirmed DegU binding in bac and ywfH promoters using radioactive DNase I footprinting. Furthermore, Hpr, a transition state regulator was found negatively to control bacilysin biosynthesis. Hpr binding to bac promoter was demonstrated using radioactive DNase I footprinting. Remarkably, Hpr does not influence the promoter of the monocistronic gene, ywfH. The other transcriptional regulators, such as ComA and AbrB, were correlated indirectly to affect the gene expression of bacilysin via DegQ and Hpr, respectively. The gene regulation of hpr was studied in this work. It was demonstrated that AbrB, a global regulator, directly controls the promoter of the hpr gene. However, the consensus sequence for AbrB binding was not identified, since it covers the entire promoter region in the DNA-protein interaction study. To conclude, this study provides new information regarding the genetic regulation of bacilysin biosynthesis in B. amyloliquefaciens FZB42.

Bacillus amyloliquefaciens FZB42 besitzt einen beeindruckenden Effekt zur Verbesserung des Pflanzenwachstums. Um die Mechanismen, vor allem auf molekularer Ebene, zu verstehen, wurde das komplette Genom von FZB42 in dieser Arbeit sequenziert. Abwesenheit von der weit verbreiteten Phagen-verwandten Genen im Genom von B. subtilis 168, der in enger Verwandtschaft zum FZB42 steht, ist ein besonderes Merkmal. Dagegen enthält das Genom von FZB42 viele DNA-Inseln, in denen unikale Gene in FZB42 als Cluster gefunden wurden. Viele Gene, die möglicherweise zur Pflanzenwachstumsförderung beitragen, wurden in dieser Arbeit identifiziert. B. amyloliquefaciens FZB42 ist natürlich kompetent. Das kompetente Stadium in FZB42 kommt früher als in B. subtilis 168, nämlich während der späten exponentiellen Wachstumsphase. Das FZB42-Genom enthält den kompletten Satz von Genen, die für die Entwicklung der genetischen Kompetenz nötig sind. Ausgenommen von Gene für Quorum-Sensing-System ist die Mehrzahl der Kompetenz-Gene von FZB42 sehr ähnlich zu denen in B. subtilis 168. Das FZB42 Genom birgt ein enormes Potential zur Produktion von sekundären Metaboliten. Genetische Manipulationen wurden durchgeführt, um die Funktionen der trans-AT Domänen und der Modifikationsdomänen in den PKS-Gen-Clustern zu erklären. Mit Ausnahme von fünf Gen-Clustern in B. subtilis 168 (Surfactin, Fengycin, Bacillibactin, Bacillaene und Bacilysin), sind Bacillomycin D, Difficidin, Macrolactin und ein hypothetisches Tripeptid einzigartig im Genom der FZB42. FZB42 kann kein bekanntes ribosomal synthetisiertes Bacteriocin produzieren kann. Gleichzeitig beinhaltet sein Genom ein Gen-Cluster, das wahrscheinlich für die Produktion eines neuartigen Bacteriocins verantwortlich ist. Die eindrucksvolle genetische Kapazität zur Herstellung von antagonistischen sekundären Metaboliten ermöglicht es FZB42, nicht nur erfolgreich neben konkurrierenden Organismen innerhalb seiner natürlichen Umgebung zu überleben, sondern auch Pflanzen gegen pathogene Bakterien und Pilze zu schützen. / Bacillus amyloliquefaciens FZB42 has an impressive effect to improve plant growth. In order to understand the mechanisms, especially at the molecular biological level, the whole genome of FZB42 was sequenced in this work. The absence of extended phage insertions which are typical for the closely related B. subtilis 168 genome is a particular feature. On the other hand, several DNA islands where unique genes in FZB42 were found clustered. Many candidate genes that may contribute to the plant growth promotion were identified in this works. B. amyloliquefaciens FZB42 is naturally competent. FZB42 exhibited its maximal competence earlier than B. subtilis, during late exponential growth. Not surprisingly, the FZB42 genome harbors the complete set of genes necessary for development of genetic competence. The majority of competence genes are highly homologous to their counterparts in B. subtilis 168, excluded from genes for the quorum-sensing system. The FZB42 genome harbors enormous potential for producing secondary metabolites. Genetic manipulation was carried out to investigate the trans-AT domains and some modification domains in the pks gene clusters. With the exception of five gene clusters in B. subtilis 168 (Surfactin, Fengycin, Bacillibactin, Bacillaene and Bacilysin), Bacillomycin D, Difficidin, Macrolactin and a hypothetical tripeptide are unique in the genome of the FZB42. A remarkable feature of the FZB42 genome is that it does not produce any known ribosomally synthesized bacteriocin, whereas a gene cluster probably responsible for production of a new bacteriocin was identified in this work. The impressive genetic capacity to produce antagonistic acting secondary metabolites not only enables FZB42 to cope successfully with competing organisms within its natural environment, but also to protect plants from pathogenic bacteria and fungi.

In dieser Arbeit wurden zunächst die Kolonisationen von drei verschiedenen Pflanzengattungen durch den GFP-markierten Bacillus amyloliquefaciens FZB42 mittels confocaler Lasermikroskopie und Elektronmikroskopie verfolgt. Hier konnte gezeigt werden, dass FZB42 alle ausgewählten Pflanzen besiedeln konnte. Bei Arabidopsis- und Maiskeimlingen wurden die Wurzelhaare und Verbindungen, an denen laterale Wurzeln entstehen, durch FZB42 bevorzugt besiedelt. Weiterhin wurden bei Arabidopsis die Spitzen der Primärwurzeln, und bei Mais die Wurzelkerben bevorzugt besiedelt. Bei Lemna wurden FZB42 Zellansammlungen entlang der Furchen, die zwischen den Epidermiszellen der Wurzel liegen, sowie den intrazellulären Hohlräumen an der Blattunterfläche gefunden. Anschließend wurden die Transkriptome von FZB42, der mit Maiswurzelexudat angezogen wurde, mittels Microarray analysiert. Insgesamt wurden 302 Gene, die 8,2 % des Transkriptoms ausmachen, signifikant durch das Wurzelexudat beeinflusst, wobei die Mehrzahl (260 Gene) hochreguliert wurde. Die induzierten Gene, dessen Funktion bereits bekannt ist, sind hauptsächlich an dem Nährstoffwechsel, Chemotaxis und Beweglichkeit, sowie an der Produktion von Antibiotika beteiligt. Auch wurden die Trankriptome von sieben FZB42-Muatnten durch Microarray analysiert. Diese hatten jeweils eine Deletionen in fünf Sigmafaktor-Genen (sigB, sigD, sigM, sigV,and sigX) und zwei globalen Transkriptionsregulator-Genen (degU und abrB). Die Expression vieler Genen wird durch diese Genprodukte beeinflusst. Mögliche Mechanismen, wie diese Faktoren die bakterielle Reaktion auf Wurzelexsudaten beeinflüssen, wurden vorgeschlagen. Schließlich wurden Northernblott-Untersuchungen an möglichen sRNA-Kandidaten durchgeführt, dessen Expression signifikant durch Wurzelexudate beeinflusst wurde. Dabei konnten 6 von 20 vermeintlichen sRNA-Kandidaten betätigt werden. Dies weist auf eine noch unbekannte Rolle der sRNAs bei der Pflanzen-Mikroben-Wechselwirkung. / In this work colonization of three different plants genera, maize, Arabidopsis, and Lemna, by GFP-labeled Bacillus amyloliquefaciens FZB42 in a gnotobiotic system was firtly studied using confocal laser scanning microscopy and electron microscopy. It was shown that FZB42 is able to colonize all these three plants with a specific pattern. Root hairs and the junctions where lateral roots occurred were a preferred area of FZB42 on both maize and Arabidopsis seedlings. On Arabidopsis, tips of primary roots were another favored site of FZB42; while, on maize, the concavities in root surfaces were preferred. FZB42 cells were also able to colonize Lemna, preferably accumulating along the grooves between epidermis cells on roots and the concaved intercellular space on fronds. Secondly, microarray experiments were performed concerning the transcriptomic response of FZB42 to maize root exudates. A total of 302 genes representing 8.2% of FZB42 transcriptome were significantly altered in transcription by the presence of root exudates, the majority of them (260) were up-regulated in expression. The induced genes with known function were mainly involved in nutrition utilization, chemotaxis and motility, and antibiotic production. The transcriptome of seven FZB42 mutants, defective in five sigma factor genes (sigB, sigD, sigM, sigV, and sigX) and two global transcriptional regulator genes (degU and abrB), were also investigated through microarray experiments. A vast number of genes were indentified to be controlled by the protein factors respectively. Possible mechanisms were proposed of how these protein factors are involved in the response to root exudates. Finally, by northern blot existence of six out of 20 small RNA (sRNA) candidates was identified, which were significantly altered in expression by root exudates. This suggests that sRNA may play a hitherto unrecognized role in plant-microbe interaction.

Bacillus amyloliquefaciens FZB42 ist ein frei lebendes Bakterium, das Pflanzenwurzeln besiedelt und das Pflanzenwachstum durch viele verschiedene Wirkmechanismen anregt. In dieser Arbeit wurden die molekularen Grundlagen dieser positiven Wirkungen, die dieses „Pflanzenwachstum fördernde Rhizobakterium“ (PGPR) auf seine Wirte ausübt, untersucht. Um den gegenseitigen Austausch von B. amyloliquefaciens und seinen Wirtspflanzen zu entschlüsseln, wurden umfangreiche Proteomstudien durchgeführt. Es wurden Referenzkarten der extrazellulären und zytosolischen Proteinfraktionen erstellt. Die größte Anzahl an ausgeschiedenen Proteinen konnte während der stationären Phase beobachtet werden. Die identifizierten extrazellulären Proteine gehören verschiedenen Funktionsklassen an, wobei die prominentesten Klassen am Kohlenhydrat-Abbau und den Transport von Molekülen durch die Zellwand beteiligt sind. Die zytosolischen Extrakte von Kulturen, die in 1C-Medium bzw. Mineralmedium angezogen wurden, und in der zweidimensionalen Gelelektrophorese (2 DE) aufgetrennt wurden, ergaben 461 und 245 verschiedene Protein-Einträge. Die erstellten Referenz-Karten wurden anschließend verwendet, um Proteine und Prozesse, in an der Interaktion mit Pflanzen beteiligt sind, zu identifizieren. Dafür wurden die Bakterien Wurzelexudaten von Mais (Zea mays L.) ausgesetzt. Die Proteine aus zwei Stämmen, denen die globalen Transkriptionsregulatoren (Degu, AbrB) und vier Sigma-Faktoren (SigB, SigM, SigV, und SigX) fehlen, wurden ebenfalls untersucht, um ihre Beteiligung an den bakteriellen Reaktionen auf die Wurzelausscheidungen zu analysieren. Zusammenfassend ist dies die erste Studie, die umfangreiche Proteomdaten von Gram-positiven PGPR präsentiert, wobei gleichzeitig die Veränderung der Expression von extrazellulären und zytoplasmatischen Proteinen, nach Zugabe von Wurzelexudaten, ausgewertet wurde. / Bacillus amyloliquefaciens strain FZB42 is a free-living bacterium that competitively colonizes plant roots and stimulates plant growth by many different modes of action. The molecular basis of singular beneficial effects that this Plant Growth-Promoting Rhizobacteria (PGPR) exert on their hosts have been studied. To decipher the molecular cross-talk of B. amyloliquefaciens and its’ host plants as a whole system, an extensive proteomic approach was performed. Reference maps of the extracellular and cytosolic protein fractions were established. The highest number of secreted proteins was observed during stationary growth phase. Identified extracellular proteins belong to different functional classes, with the most prominent classes involved in carbohydrate degradation and transportation of molecules across the cell wall. Cytosolic extracts obtained from cultures grown in 1C and minimal media subjected to the 2 Dimensional Electrophoresis (2 DE), revealed 461 and 245 different protein entries, respectively. Created reference maps were subsequently used to identify proteins and processes involved in the interaction with plants, prior to exposure of bacteria to maize (Zea mays L.) root exudates. The proteomics of two strains lacking expression of genes coding for global transcriptional regulators (degU, abrB) and four sigma factors (sigB, sigM, sigV, and sigX) were also inves-tigated, in order to analyse their involvement in bacterial responses to root exudates. In summary, this is the first study presenting comprehensive proteomics of Gram-positive PGPR, evaluating at the same time changes in protein expression caused by addition of root exudates at the extracellular and cytosolic level.